渐冻症——如何“解冻”被冻住的人生？

2014年，风靡全球的“冰桶挑战”让渐冻症这种罕见病走进了大众的视野，渐冻症一时成为罕见病中的明星病，引发了大量的社会关注。虽然渐冻症目前仍处于“无药可医”的状态，但细胞和基因治疗技术的发展正在给“渐冻人”们带来希望。

图1 冰桶挑战

什么是渐冻症？

渐冻症的学名为“肌萎缩侧索硬化症（ALS）”，是运动神经元病的一种，临床上常表现为上、下运动神经元合并受损的混合性瘫痪，但认知能力不受影响。这意味着“渐冻人”们会在清醒状态下眼睁睁看着自己被“冻”住——不能行走、不能说话、不能吞咽，直至不能呼吸。

渐冻症大多在40~60岁时起病，中位生存期为3~5年，约30%的渐冻症患者在确诊5年后存活，10%~ 20%的患者可在确诊10年后存活。伟人霍金自确诊到去世期间长达55年，是目前存活时间最长的渐冻症患者，但并非所有人都这么幸运。渐冻症在全球范围内患病率约为4.5/10万，我国约有20多万的渐冻症患者，而且这个数字还在逐年增长。

图2 伟人霍金患渐冻症前后

渐冻症是怎么发生的？

目前科学家们提出了多种ALS的发病机制和病理特点，主要包括：(1)核质转运缺陷，包括RNA分子和RNA结合蛋白转运的改变。(2)RNA代谢改变，包括TDP-43或FUS在内的RNA结合蛋白在细胞质中的错误定位，导致转录和剪接的改变，同时应激颗粒动力学也受到影响。(3)包括TDP-43在内的聚集蛋白在细胞质中积累，破坏了蛋白质平衡。有证据表明，自噬和泛素-蛋白酶体系统这两种主要的蛋白清除途径可能参与其中。(4) DNA修复受损，FUS、TARDBP、TAF15、SETX、EWSR1等多个ALS相关基因都参与了DNA修复。(5)线粒体功能障碍，导致活性氧（ROS）的形成和增加，这被认为是ALS的起始因素，包括SOD1、TDP-43和FUS在内的一些ALS相关蛋白都与线粒体相互作用。(6)轴突运输缺陷，神经病理学证据表明，神经丝积累和细胞骨架紊乱都与ALS相关。(7)囊泡运输缺陷，包括OPTN、VAPB、CHMP2B和UNC13A在内的几个ALS相关基因都参与了囊泡运输。囊泡运输受损可导致蛋白积累和高尔基体碎裂，这已在许多ALS患者中观察到。(8)神经炎症，活化的小胶质细胞会分泌炎症蛋白，导致星形胶质细胞潜在的神经毒性激活，最终导致神经元和少突胶质细胞的死亡。(9)兴奋性毒性，突触谷氨酸释放的增加，AMPA受体的改变和星形胶质细胞对谷氨酸清除的减少均可造成谷氨酸受体过度刺激，导致谷氨酸浓度过高。(10)少突胶质细胞功能障碍，导致神经元支持功能降低（图3）。

图3 渐冻症的发病机理和病理特点[1]

怎么治疗渐冻症？

目前ALS几乎仍处于“无药可医”的状态，主要的治疗手段包括增加营养和呼吸支持。1995年，美国食品药品监督管理局批准了利鲁唑（Riluzole）用于临床治疗ALS，它主要通过抑制脑内神经递质（谷氨酸和天冬氨酸）的释放，抑制兴奋性氨基酸的活性以及稳定电压依赖性钠通道的失活状态来产生神经保护作用。但利鲁唑仅在治疗前6个月能够发挥有效作用，而且也只能将生存期延长2~3个月。

图4 利鲁唑分子式

自利鲁唑问世以来，科学家们沿着抗炎、抗氧化、抗谷氨酸、神经保护和神经营养的思路开发了60多种化合物用于治疗ALS，遗憾的是，绝大多数都未能在人类临床试验中证明其有效性。直至2017年，依达拉奉（Edaravone）被批准在日本、韩国和美国用于临床治疗ALS。依达拉奉是一种抗氧化化合物，是通过减少氧化应激发挥作用，对早期发病和疾病快速进展的患者有益，但是否能够延长生存期仍不清楚。

图5 依达拉奉分子式

可以看到，目前上市的ALS小分子治疗药物效果有限，开发新疗法迫在眉睫。随着生物技术的不断发展，细胞治疗和基因治疗正在给“渐冻人”们带来希望。

细胞治疗能做什么？

细胞治疗，又称细胞移植治疗，指的是将正常或者生物工程改造过的人体细胞移植或者输入患者体内，使该细胞能够替代原有的受损细胞，或者发挥免疫调节的功能，从而达到治疗疾病的目的。干细胞具有分化为神经元样细胞及相关支持细胞的能力，可替代ALS中丢失的神经元和功能不良的星形胶质细胞；移植的干细胞则可以通过释放神经保护性营养因子、免疫调节物质来预防现有运动神经元的退化，改变ALS的毒性微环境。科学家们已在ALS的动物模型中测试了不同的细胞类型、剂量和给药途径对ALS的治疗效果，其中最常用的细胞类型是间充质干细胞（MSC）和神经干细胞（NSC）。

图6 干细胞的分化潜能

骨髓来源的MSC是ALS细胞治疗的有效工具，它可以从体细胞组织中安全有效地获得，在体外培养系统中也很容易扩增。MSC可迁移至损伤组织部位，释放多种生物因子，促进神经组织的维持与修复，或者分泌外泌体调节细胞微环境，而且在适当条件下还可以转分化为神经元，代替受损的细胞。此外，MSC面临的伦理问题较少，且自体间充质干细胞可安全使用，无免疫排斥风险。基于以上原因，MSC是细胞治疗的主力军，许多临床研究已经检验了MSC的安全性和有效性。在一项临床实验中，骨髓来源的间充质干细胞治疗ALS患者后，抗炎细胞因子水平显著增加，促炎细胞因子水平降低，临床结果安全有效。基于上述研究结果，韩国政府于2015年批准自体骨髓来源的MSC用于临床治疗ALS，成为世界上第一个批准将干细胞疗法商业化来治疗ALS的国家。

NSC可以分化为神经元，替代丢失或损伤的神经元，有助于运动回路的重建，也可通过分泌神经营养因子恢复中枢神经病变微环境。此外，NSC还能在中枢神经系统中释放免疫调节分子，影响免疫应答并抑制炎症反应。FDA批准的NSC治疗ALS的I期临床试验于2009年进行。腰椎注射后未发现重大并发症，颈椎注射也有良好的耐受性，腰椎和颈椎同时注射可延缓疾病进展。此外，临床试验也表明，高剂量注射NSC是安全的，且与历史对照相比，NSC移植显著提高了ALS患者的功能评分，表明了细胞治疗的有效性。

由以上结果可见，细胞治疗已经在治疗ALS中显示出了潜在优势，具有一定安全性及有效性。随着未来相关的临床研究深入与增多，细胞治疗将有望助力解冻“渐冻人”。但在成为治疗ALS的有效工具之前，细胞治疗还需要进行更深入的研究，优化不同干细胞的剂量和类型，用于未来ALS的临床治疗。

基因治疗能做什么？

目前，已有多种基因治疗策略在ALS动物模型上验证了其有效性及安全性。主要策略包括反义寡核苷酸（ASOs）、RNA干扰（RNAi）、基因编辑、腺相关病毒（AAV）介导的基因递送等（图7），结果显示出不同程度的有效性。

图7. 基因治疗ALS的策略汇总[2]

1. 反义寡核苷酸（ASOs）

ASOs是一种单链、8~50个碱基的合成寡核苷酸序列，可设计用于靶向mRNA以实现RNase H酶介导的降解，或设计用于对抗初级转录本以诱导选择性剪接。目前ASOs主要通过靶向家族性ALS的常见突变基因发挥作用，如SOD1、C9ORF72、ATXN2和FUS。2021年10月17日，Biogen（渤健）公司公布了ASO药物Tofersen（BIIB067）用于治疗SOD1基因突变ALS患者的关键III期临床试验研究结果。结果显示，虽然没有达到研究主要终点，但在生物活性和临床功能的多项次要和探索性指标中看到了有利于Tofersen的趋势。

2. RNA干扰（RNAi）

RNA干扰是指将与内源mRNA 编码区同源的小片段（19~23 bp）外源双链RNA导入细胞中，引发细胞中相应mRNA高效特异性降解，从而导致特定基因表达沉默。用于RNAi的小非编码RNA（miRNA）可用AAVs进行递送。2020年7月，《新英格兰医学杂志》发表了一项通过鞘内注射编码靶向SOD1的microRNA的腺相关病毒（rAAVRh10.mi-SOD1）来治疗SOD1-ALS的报道，提示鞘内miRNA可作为SOD1-ALS的潜在治疗手段。

3. 基因编辑

治疗功能获得性疾病的另一个方法是基因编辑，这可以通过CRISPR基因编辑系统来实现。CRISPR-Cas系统能够特异性靶向基因组序列，诱导双链DNA断裂，引起碱基插入或删除。此外，基于CRISPR系统的基因表达抑制或激活系统，在ALS领域的应用也备受期待。2017年《科学进展》杂志发表了第一项针对ALS的基因编辑研究，研究人员使用改良的AAV9将SaCas9和靶向hSOD1基因的sgRNA通过静脉注射递送至新生的SOD1G93A小鼠，证实了SaCas9在脊髓腹角细胞中的集中表达，SOD1蛋白水平下降了2.5倍。经治疗的小鼠运动神经元得到保存，运动功能得到改善，发病延迟37%，生存率提高25%。

4. AAV介导的基因递送

基因治疗最常见的应用是治疗性转基因的递送。由于目前并没有发现导致ALS的突变具有唯一功能缺失的机制，因此治疗性基因递送主要集中在神经营养因子上，为退化的神经元提供支持。虽然这些方法是非特异性的，不太可能治愈ALS，但有可能延长所有形式的ALS患者的生存时间，因此具有一定的应用前景。

除了递送神经营养因子，AAV也可递送神经肌肉连接调节剂或靶向错误折叠蛋白的抗体。基因治疗能够提供靶向、持续的治疗能力，可以通过靶向导致ALS的特定基因突变，或修改散发性病例的共同病理终点来治疗疾病。

结语

渐冻症虽然可怕，但人们正在积极努力改变“渐冻人”们的命运，新型的细胞治疗和基因治疗为他们带来了希望，临床试验显示出了一定的安全性和有效性，将来我们还需要更加深入、详尽的科学研究和临床试验对渐冻症的治疗方案进行完善，解冻“渐冻人”们被冻住的人生。

参考文献

[1]. Mejzini, R., et al., ALS Genetics, Mechanisms, and Therapeutics: Where Are We Now? Front Neurosci, 2019. 13: p. 1310.

[2]. Amado, D.A. and B.L. Davidson, Gene therapy for ALS: A review. Mol Ther, 2021. 29(12): p. 3345-3358.

文案：李玉欢